航天器熱控自主管理中的智能控制技術(shù)

郭堅 陳燕 邵興國

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

1 引言

當(dāng)前航天器上廣泛采用的熱控措施大致分為被動式和主動式兩大類。被動式熱控制［1］是一種開環(huán)式控制，主要依靠合理布局和選用具有適當(dāng)熱物理性能的材料和結(jié)構(gòu)及比較簡單的熱控裝置來組織換熱過程，它的特點(diǎn)是簡便易行，但不具備自動調(diào)節(jié)溫度的能力。主動式熱控制則是閉環(huán)式控制，這類熱控裝置通常由溫度敏感器、控制器和執(zhí)行裝置三部分組成，如恒溫電加熱器、熱控百葉窗、接觸式熱開關(guān)等。它們的特點(diǎn)是被控對象的溫度信息可以反饋到控制器與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較，然后根據(jù)差值命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，實(shí)現(xiàn)溫度的自動控制［2］。熱控自主管理是主動式熱控的主要表現(xiàn)形式，也是熱管理技術(shù)的重要發(fā)展方向，熱控自主管理系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮的一個重要因素是智能控制策略及其實(shí)現(xiàn)方法。

本文分析了目前最常用的電加熱器熱控智能控制策略的實(shí)現(xiàn)方法，介紹了百葉窗熱控和流體回路熱控自主管理智能控制策略的實(shí)現(xiàn)方法，在此基礎(chǔ)上，提出了熱控自主管理智能控制技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法的發(fā)展趨勢。

2 常用熱控自主管理控制策略

電加熱器熱控是目前最常用的熱控自主管理實(shí)現(xiàn)方式，在大部分衛(wèi)星上都已采用。早期衛(wèi)星對電加熱器的控制是采用實(shí)時的遙控指令，而沒有自主管理方式，隨著嵌入式計算機(jī)在星上的應(yīng)用，對電加熱器的控制逐漸發(fā)展為自主控制和遙控同時存在。圖1是一個典型的電加熱器自主管理的示意圖。

圖1 電加熱器形式熱控自主管理設(shè)備連接示意圖Fig．1 Connecting sketch map of thermal autonomous management equipment using electric heater

圖1中，溫度敏感器為熱敏電阻（部分場合也可能采用熱電偶等傳感器），也包括進(jìn)行溫度遙測和開關(guān)遙測的采集設(shè)備，即遙測采集及指令輸出設(shè)備；驅(qū)動裝置包括驅(qū)動器、安全開關(guān)、指令輸出設(shè)備，控制器由若干加熱器開關(guān)組成，以提供驅(qū)動加熱器的大電流。加熱器開關(guān)分兩類：一類是機(jī)電式繼電器，另一類是電子開關(guān)，后者用于開／關(guān)次數(shù)頻繁的加熱器。對于自主管理的實(shí)現(xiàn)，目前有兩種實(shí)現(xiàn)方法：一種是將自主管理計算機(jī)、遙測采集及指令輸出設(shè)備合并，一般稱之為熱控儀；另一種是將二者分開，控制器由數(shù)管分系統(tǒng)的中心計算機(jī)（CTU）承擔(dān)，遙測采集及指令輸出由數(shù)管分系統(tǒng)的遠(yuǎn)置單元（RTU）承擔(dān)。其中后一種方案在大衛(wèi)星上應(yīng)用廣泛，前一種方案在小衛(wèi)星上應(yīng)用較多。

熱控自主管理的自主性主要由自主管理計算機(jī)體現(xiàn)，目前自主管理的算法均由軟件實(shí)現(xiàn)，根據(jù)溫度上下限進(jìn)行控制，當(dāng)?shù)陀跍囟认孪迺r控制加熱器接通，當(dāng)高于溫度上限時控制加熱器斷開，如圖2 所示。其中，主份回路的控溫范圍比備份回路窄，因此只有在主份加熱回路失效時備份加熱回路才會啟動。

圖2 加熱器控制規(guī)律Fig．2 Control law of heater

經(jīng)過多年的發(fā)展，熱控管理的自主性逐步加強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)的算法也越來越復(fù)雜。下面舉例說明熱控自主管理控制策略的實(shí)現(xiàn)方法。

某衛(wèi)星共有96個電加熱回路，圖3是該衛(wèi)星熱控自主管理軟件的一個簡化的流程。對圖3的補(bǔ)充說明如下：

（1）熱控自主管理功能的啟動和每個回路的自主控制使能均可由地面遙控指令設(shè)置。

（2）每個回路均有兩個熱敏電阻對溫度進(jìn)行采集，熱控自主管理時取其中之一的值作為該回路溫度值（為了防止熱敏電阻故障，對每個熱敏電阻的溫度值規(guī)定了合理值范圍，當(dāng)超出合理值范圍時將剔除），熱敏電阻的選擇可由地面遙控指令改變，某些回路可能采用多個熱敏電阻測量值取平均作為判據(jù)，還有某些回路可能采用幾個熱敏電阻的溫度差作為判據(jù)。

（3）有兩組閾值，分別對應(yīng)于衛(wèi)星處于陰影區(qū)和光照區(qū)，熱控自主管理軟件可根據(jù)電源管理軟件給出的“進(jìn)影”和“出影”信號，選擇其中一組閾值作為當(dāng)前的閾值；也可根據(jù)地面遙控指令來選擇當(dāng)前的閾值（某些衛(wèi)星為了適應(yīng)不同的空間環(huán)境，還設(shè)計了多種工作模式，每種模式開啟的回路、采用的閾值均不相同）。

（4）每個回路的閾值分為高溫閾值和低溫閾值，高于高溫閾值表示溫度太高，需發(fā)送回路斷開的指令（當(dāng)回路為接通狀態(tài)時）；低于低溫閾值表示溫度太低，需發(fā)送回路接通的指令（當(dāng)回路為斷開狀態(tài)時）。

（5）為防止干擾引起誤判，需對每個回路的溫度值采3次、判3次，3次均超過閾值才認(rèn)為需要進(jìn)行控制（某些衛(wèi)星針對不同回路的特點(diǎn)，設(shè)置了兩種控溫周期，采集和控制的頻率不同）。

（6）為提高可靠性，對被控對象都采取主備兩個加熱回路，其中主加熱回路的閾值范圍更窄，因此當(dāng)主加熱回路發(fā)生故障時，溫度超出主加熱回路的閾值范圍，達(dá)到備份加熱回路的閾值時，備份加熱回路自動啟動。

（7）熱控自主管理軟件的所有運(yùn)行狀態(tài)，所需參數(shù)（如使能否、閾值、所用熱敏電阻等等）均作為重要數(shù)據(jù)通過星載數(shù)據(jù)總線保存到其他設(shè)備中，一旦軟件所在的計算機(jī)復(fù)位，能夠立即恢復(fù)這些數(shù)據(jù)，以保持自主管理的連續(xù)性。

圖3 衛(wèi)星A 熱控自主管理控制策略簡化流程Fig．3 Simplified flow of thermal autonomous management strategy for satellite A

熱控百葉窗也是衛(wèi)星的主動熱控手段之一，它的調(diào)控能力強(qiáng)，工作性能穩(wěn)定［3］。電加熱器實(shí)現(xiàn)對設(shè)備加熱，百葉窗則主要通過對陽光的遮擋調(diào)節(jié)外部輻射，來實(shí)現(xiàn)降溫。百葉窗式熱控自主管理的控制算法和電加熱式自主管理相似，主要是控制閾值的差別：電加熱式自主管理一般要求溫度控制在一個范圍內(nèi)，如-10～＋30 ℃，當(dāng)設(shè)備處在該范圍內(nèi)時不需要控制；而百葉窗式自主溫控要求溫度控制在一個點(diǎn)，例如20 ℃，當(dāng)不在這個點(diǎn)上就需要進(jìn)行控制。此外，驅(qū)動機(jī)構(gòu)由加熱器變?yōu)榭刂瓢偃~窗的電機(jī)（通常為步進(jìn)電機(jī)）；敏感器除溫度傳感器外，還有測量角度的傳感器等。

有些航天器上采用了對流體回路熱控［4］進(jìn)行自主管理的方法。其執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有泵、截止閥、溫控閥等，控制器主要通過控制這些驅(qū)動機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)溫度，實(shí)現(xiàn)熱控自主管理。對泵的控制主要是通過采集泵的壓力和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)當(dāng)其超過一定門限時進(jìn)行報警。溫控閥則根據(jù)測量的溫度值與閾值進(jìn)行比較，當(dāng)連續(xù)超出一段時間時，進(jìn)行開啟和關(guān)閉操作，溫控閥的驅(qū)動機(jī)構(gòu)一般也采用步進(jìn)電機(jī)，控制器通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動來驅(qū)動溫控閥。

3 熱控自主管理智能控制技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法的發(fā)展趨勢分析

近年來，隨著熱控自主管理技術(shù)在航天器上的應(yīng)用正朝著更廣和更深的方向發(fā)展，其智能控制技術(shù)也取得了較大的發(fā)展，預(yù)計在不久的將來還會有以下一些發(fā)展趨勢：

1）自主管理的熱控回路數(shù)量還將增加

隨著衛(wèi)星規(guī)模和復(fù)雜度的提高，星上對溫度敏感的精密儀器也越來越多，使得自主管理的熱控回路數(shù)量也在不斷增加。例如在早期衛(wèi)星上的自主熱控回路在10路左右，近期發(fā)射的衛(wèi)星的自主熱控回路數(shù)都在100路左右，預(yù)計今后的大型航天器上的自主管理加熱回路數(shù)還會增加。

2）自主管理的精確化和智能化要求越來越高

隨著許多新載荷的使用，對某些溫度要求非常嚴(yán)格的載荷設(shè)備，要求提供更加精確的控溫算法，如采用比例微分積分（PID）調(diào)節(jié)算法，采用對加熱開關(guān)實(shí)現(xiàn)脈沖控制且脈寬和占空比可任意調(diào)節(jié)的算法等等。對百葉窗的控制也將采用許多更加優(yōu)化的算法，如免疫遺傳算法［5］等等。

在智能化方面，航天器的主動式熱控最初完全依賴遙控，發(fā)展到今天，已實(shí)現(xiàn)了自主管理為主，遙控為輔的階段。未來的熱控自主管理不僅要實(shí)現(xiàn)短期的正常情況下的自主管理，還要支持航天器長期的無人干預(yù)情況下的在軌自主運(yùn)行［6］，這就需要根據(jù)不同的運(yùn)行環(huán)境自動調(diào)整自主管理的算法，調(diào)整各個回路的狀態(tài)等等；此外，還需針對各種故障情況做出正確的判斷，具備在軌故障診斷和自動修復(fù)能力。例如，需根據(jù)能源系統(tǒng)的電能儲備情況選擇“節(jié)能模式”還是“全工作”模式；需針對整星的某些應(yīng)急情況對回路進(jìn)行開關(guān)操作等等。這就需要將熱控自主管理納入整個航天器的自主管理框架中，和整星的其他智能自主管理相結(jié)合，從總體的高度，建立航天器智能自主管理模型。這種自主管理模型在國外已得到了應(yīng)用，我國也開展了相關(guān)的預(yù)研工作。圖5是在借鑒美國深空一號（Deep Space-1，DS-1）等國外先進(jìn)的航天器智能管理體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出的適用于我國航天器的集中與分布式管理相結(jié)合的多代理協(xié)作航天器自主管理體系結(jié)構(gòu)。

圖4 集中與分布式管理相結(jié)合的多代理協(xié)作航天器自主管理體系結(jié)構(gòu)Fig．4 Multi-agent spacecraft autonomous management architecture integrated concentration with distribution

3）自主管理的控制器從獨(dú)立設(shè)備走向與數(shù)管計算機(jī)的融合

早期的熱控自主管理的控制器由專門的熱控儀實(shí)現(xiàn)，其功能較為單一。隨著星載數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)［7］在衛(wèi)星上的普及，采用數(shù)管分系統(tǒng)的計算機(jī)來實(shí)現(xiàn)熱控自主管理功能正成為一種趨勢。這主要基于以下幾方面的原因：

（1）數(shù)管計算機(jī)的性能較高，運(yùn)算處理能力比較強(qiáng)，增加熱控自主管理功能不會增加太多的工作量；

（2）數(shù)管分系統(tǒng)已具備的某些功能與熱控儀實(shí)現(xiàn)的功能非常相似，例如數(shù)管分系統(tǒng)具有遙測采集和指令發(fā)送功能，這和熱控儀的溫度采集、回路狀態(tài)量采集以及加熱回路開關(guān)控制功能非常相似，而熱控自主管理的算法由計算機(jī)實(shí)現(xiàn)，數(shù)管計算機(jī)的功能相對熱控儀更加強(qiáng)大，完全勝任自主熱控的算法；

（3）今后熱控自主管理不再是獨(dú)立工作，而是作為航天器自主管理中的一個環(huán)節(jié)，和其他自主管理功能結(jié)合起來，這需要和其他的自主管理交流很多信息，數(shù)管分系統(tǒng)是航天器的數(shù)據(jù)中心，有利于各項自主管理功能的統(tǒng)一規(guī)劃、實(shí)施。

（4）數(shù)管計算機(jī)軟件具有很強(qiáng)的在軌維護(hù)能力，能夠?yàn)樵谲墴峥刈灾鞴芾硭惴ê蛥?shù)的調(diào)整提供便利。

（5）由數(shù)管計算機(jī)實(shí)現(xiàn)熱控自主管理的智能控制策略，沒有單獨(dú)的熱控儀，可以降低系統(tǒng)的重量、功耗，符合航天器電子系統(tǒng)輕小型化的發(fā)展方向。

4 結(jié)束語

實(shí)現(xiàn)航天器的智能自主管理是航天器發(fā)展的重要方向，我國目前在這方面與航天發(fā)達(dá)國家還有很大差距。與許多其他的自主管理還停留在理論和預(yù)研階段相比，作為先行者，熱控自主管理已在航天器上得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹了國內(nèi)航天器上應(yīng)用較多的幾種熱控自主管理技術(shù)的智能控制策略。在此基礎(chǔ)上上，對熱控自主管理智能控制技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析，提出熱控自主管理將向自主管理的回路數(shù)量增加，精確化和智能化要求提高，控制器從獨(dú)立設(shè)備走向和數(shù)管計算機(jī)融合的方向發(fā)展。而且，未來航天器將建立自主管理框架，熱控自主管理作為其中的一部分，與航天器的其他智能自主管理相結(jié)合，以發(fā)揮更大功效。

（References）

［1］譚維熾，胡金剛．航天器系統(tǒng)工程［M］．北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2009

Tan Weichi，Hu Jingang．Spacecraft system engineering［M］．Beijing：Chinese Science and Technology Press，2009（in Chinese）

［2］褚桂柏．空間飛行器設(shè)計［M］．北京：航空工業(yè)出版社，1996

Chu Guibai．Design for spacecraft［M］．Beijing：Aviation Industry Press，1996（in Chinese）

［3］萬凱，任建勛，過增元．微熱控百葉窗驅(qū)動器的分析與模擬［J］．工程熱物理學(xué)報，2007（1）：125-127

Wan Kai，Ren Jianxun，Guo Zenyuan．Analysis and simulation of actuator of micro thermal louver［J］．Journal of Engineering Thermo Physics，2007（1）：125-127（in Chinese）

［4］范含林，黃家榮，劉慶志，等．載人運(yùn)輸飛船流體回路方案研究［J］．中國空間科學(xué)技術(shù)，2007（5）：38-43

Fan Hanlin，Huang Jiarong，Liu Qingzhi．Liquid loop schematic design of manned spacecraft［J］．Chinese Space Science and Technology，2007（5）：38-43（in Chinese）

［5］張偉清，宣益民，韓玉閣．免疫遺傳算法在百葉窗最優(yōu)化熱設(shè)計中的應(yīng)用［J］．中國空間科學(xué)技術(shù)，2005（10）：66-71

Zhang Weiqing，Xuan Yimin，Han Yuge．Application of immune genetic algorithm to the optimal thermal design of louvered panels［J］．Chinese Space Science and Technology，2005（10）：66-71（in Chinese）

［6］代樹武，孫輝先．航天器自主運(yùn)行技術(shù)的進(jìn)展［J］．宇航學(xué)報，2003，24（1）：17-22

Dai Shuwu，Sun Huixian．Technical overview of autonomous control and on-board data processing for spacecrafts［J］．Journal of Astronautics，2003，24（1）：17-22（in Chinese）

［7］國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會．航天器數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通用規(guī)范，GJB 5418-2005［S］．北京：國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會，2005

Commission of Science，Technology and Industry for National Defence．General specification for spacecraft data handling system，GJB 5418-2005 ［S］．Beijing：Commission of Science，Technology and Industry for National Defence，2005（in Chinese）